ITMI930359A1 - Processo di candeggio termico per materiali in fibra fluorocarburica non contaminanti - Google Patents

Description

Descrizione del brevetto per invenzione industriale avente per titolo

"Processo di candeggio termico per materiali in fibra fluorocarburica non contaminanti".

DESCRIZIONE

Campo tecnico:

La presente invenzione riguarda filtri a base di fibra fluorocarburica imbianchite in modo sostanzialmente permanente e un metodo per rendere un materiale in fibre fluorocarburiche legato chimicamente sostanzialmente non contaminante mediante la riduzione del livello di estraibili ad un livello minimo. L'invenzione mette a disposizione un materiale filtrante e tecniche per eseguire l'estrazione di residui / il candeggiamento sullo stesso. L'invenzione ha applicazione in particolare nella riduzione in maniera significativa del livello di estraibili indesiderati da filtri composti da fibre di politetrafluoroet?lene non tessute o tessute che vengono fabbricati con l'utilizzo di leganti fluorocarburici bagnati.

Arte anteriore:

I filtri di politetrafluoroetilene (PTFE o Teflon sono stati usati per lungo tempo per varie applicazioni. Per esempio, filtri porosi preparati a partire da fibre ?di PTFE che sono depositate con leganti costituiti da polimeri fluorocarbonici e poi vulcanizzate (indurite) trovano uso nella filtrazione di fluidi acidi o caustici caldi. A motivo delle tecniche di produzione, le fibre di PTFE in fiocco non trattate del tipo utilizzato nei filtri sono tipicamente di colore marrone scuro a causa di residui carboniosi. Quando vengono incorporate in strutture di filtrazione, fibre contenenti tali residui non solo sono indesiderabili dal punto di vista estetico, ma per di pi? rappresentano una fonte di potenziale contaminazione del filtrato.

Le definizioni che seguono vengono fornite allo scopo di facilitare la comprensione

dell *invenzione.

"Candeggio" o "sbianca" significa riduzione di contaminanti estraibili nonch? imbianchimento. Il candeggio si riferisce a processi per la rimozione di residui carboniosi dalle fibre e dalla struttura del filtro dopo la deposizione, che possono essere tipicamente presenti in quantit? elevate come circa il 3% in peso delle fibre fiocco e circa il 2% in peso del peso totale di un materiale filtrante legato chimicamente (legante fluorocarburico e fibre non candeggiate).

"PTFE" significa politetrafluoroetilene. "FEP" significa copolimero etilene-propilene fluorurato.

"PFA" significa polimero perfluoroalcossilico .

"Presa" o "indurimento" o "vulcanizzazione" si riferisce al fatto che il legante assume la configurazione desiderata sulle fibre a dare la desiderata integrit? strutturale.

"Fugace" si riferisce ad una composizione in dispersione o in soluzione che viene volatilizzata, decomposta e/o rimossa in maniera sostanzialmente completa prima della o durante la essiccazione e vulcanizzazione in modo da essere sostanzialmente assente da una struttura finita e da non aumentare il livello di estraibili nella struttura fibrosa finita.

Con riferimento all'arte anteriore, Hurley et al. (Pali Corporation), nel brevetto statunitense 4.716.074 (detto nel seguito Hurley et al.), descrivono un processo per produrre un filtro incorporante fibre con un ridotto livello di residui contaminanti. Hurley et al. stabiliscono procedure di fabbricazione-per filtri a base di fibre di PTFE che implicano gli stadi seguenti: 1) selezione delle fibre di PTFE; 2) selezione di un legante fluorocarburico ; 3) candeggiamento e preritiro delle fibre; 4) formazione di una dispersione stabilizzata delle fibre e di un legante fugace; 5) deposizione della dispersione; 6) essiccazione della dispersione; 7) applicazione del legante fluorocarburico al materiale posato; 8) essiccazione del materiale posato; 9) vulcanizzazione del materiale posato ricoperto di legante; e, infine, 10) trattamento del materiale posato per rimuovere gli estraibili.

Adatte fibre di politetrafluoroetilene (PTFE) descritte in Hurley et al. hanno tipicamente diametri che variano in un intervallo da circa 5 a circa 50 micrometri, preferibilmente da circa 15 a circa 35 micrometri, e hanno lunghezze che variano in un intervallo da circa 1000 a circa 20.000 micrometri, preferibilmente da circa 4.500 a circa 8.500 micrometri. Fibre al di fuori di questi intervalli possono venire utilizzate ma con minor successo. Per esempio, fibre che hanno diametri maggiori di circa 50 micrometri e pi? lunghe di circa 20.000 micrometri non possono venire utilizzate per formare materiale relativamente sottile. A meno che si desideri del materiale relativamente spesso, le fibre non dovrebbero superare quelle dimensioni. Inoltre, quando il rapporto di aspetto (rapporto della lunghezza sul diametro) ? minore di circa 100, si verifica un incrocio e un intreccio insufficiente tra le fibre per fornire la richiesta resistenza nel materiale risultante. Di conseguenza, si utilizzano fibre con rapporti di aspetto di almeno circa 100. Se le fibre hanno diametri minori di circa 5 micrometri, esse (1) tendono a rompersi durante la dispersione, riducendo in questo modo il loro rapporto di aspetto e dando luogo ad un materiale avente un volume di vuoti ridotto nonch? una resistenza ridotta, e (2) tendono ad avere una elevata resistenza al flusso di liquidi. Fibre di PTFE del tipo desiderato sono ottenibili in commercio, per esempio dalla E. I. DuPont de Nemours and Company, Ine .

In Hurley et al., i leganti polimerici fluorocarburici includono copolimeri etilenepropilene fluorurati, e in particolare copolimeri di tetrafluoroetilene (TFE) e esafluoropropilene, a cui si fa riferimento come FEP. Altri tipi di legante fluorocarburico , come-polimero perfluoroalcossilico ("PFA"), possono venire utilizzati, nei limiti in cui essi presentino la desiderata resistenza alle alte temperature e ad ambienti chimici caustici e forniscano il legame richiesto delle fibre di PTFE dopo vulcanizzazione.

Si utilizza una emulsione / sospensione incorporanti il legante. La concentrazione del legante fluorocarburico (% in peso di solidi) nell'emulsione come viene fornita ? tipicamente nell'intervallo da circa il 45 a circa il 65% in peso. Le particelle del legante fluorocarburico polimerico nell?emulsione hanno in generale dimensioni nell'intervallo da circa 0,05 a circa 1,0 micrometri, preferibilmente da 0,1 a circa 0,4 micrometri. Le dispersioni sono in generale acquose e contengono tipicamente dal 3 al 12%, pi? tipicamente dal 5 al 7%, in peso di agenti bagnanti non ionici e anionici volatili. Le dispersioni sono generalmente diluite con acqua prima

dell 'utilizzo, tipicamente ad una concentrazione dallo 0,5 al 25% in peso o superiore, pi? preferibilmente da circa il 5% a circa il 15% in peso, del legante fluorocarburico.

Agenti bagnanti appropriati includono alchilfenolo etossilato, alchilarilpolieteralcool (Triton X100, ottenibile dalla Rohm & Haas Company) .

Il legante fluorocarburico deve far presa o vulcanizzare prima che si verifichi un qualsiasi ritiro sostanziale o fusione delle fibre di PTFE. Per questa ragione, si preferiscono leganti fluorocarburici termoplastici dotati di punto di fusione in un intervallo appropriato, come il FEP. Un legante fluorocarburico polimerico di tipo FEP particolarmente preferito ? il FEP 120 ottenibile dalla E. I. DuPont de Nemours and Company, Ine. In forma di dispersione, una resina termoplastica come il FEP viene indurita o vulcanizzata facendo scorrere la resina sopra le fibre per rivestirle e riscaldando la dispersione per far s? che le fibre aderiscano una all'altra nei punti di incrocio. Come notato in Hurley et al., a causa di residui carboniosi che rimangono in conseguenza della loro fabbricazione, le fibre di PTFE in fiocco sono tipicamente di un ricco color marrone cioccolato. Dal punto di vista estetico, ci? ? indesiderabile in filtri, supporti di filtri e strutture di drenaggio. Se non vengono rimossi, i residui carboniosi rimangono nella struttura filtrante in forma di estraibili, cio? di-materiali che possono venire dilavati dalla struttura filtrante durante il servizio.

Di conseguenza, Hurley et al. descrivono metodi alternativi di candeggiamento / imbianchimento delle fibre messi in pratica prima che le fibre vengano sottoposte alla deposizione. Il primo metodo ? per mezzo chimico, per esempio mediante riscaldamento delle fibre in acido solforico concentrato riscaldato ad approssimativamente 315?C, a cui si aggiunge lentamente acido nitrico concentrato fino a quando le fibre virano al bianco. Il secondo metodo, preferito, ? quello del candeggiamento termico delle fibre del substrato prima della deposizione. Il candeggiamento termico delle fibre viene realizzato per esempio aumentando gradualmente la temperatura dell'aria per un periodo di tempo esteso da circa 232?C fino a circa 298?C e mantenendo tale temperatura per varie ore fino a quando le fibre sono sostanzialmente esenti da materiali carboniosi (imbianchite).

Hurley et al. fanno notare che la conseguenza del candeggiamento termico sar? tipicamente un accorciamento delle fibre e un aumento del loro diametro. Secondo le dimensioni desiderate per le fibre nella struttura formata, le f-ibre possono essere tagliate alla lunghezza desiderata prima o dopo il loro candeggiamento termico.

Le fibre candeggiate vengono utilizzate in una dispersione stabilizzata usata per preparare le strutture porose. La dispersione ? composta da un materiale veicolante liquido, le fibre di PTFE candeggiate e un agente stabilizzante. Un costituente singolo pu? servire sia per stabilizzare la dispersione di fibre di PTFE che, dopo essiccazione, per legare le fibre una all'altra, assicurando in questo modo la resistenza "a verde" (prima della vulcanizzazione). L'agente di stabilizzazione ? miscelato con il materiale veicolante liquido, preferibilmente acqua, in una quantit? tale da dar luogo alla richiesta concentrazione e fino a quando si ottiene una dispersione uniforme. Le fibre di PTFE candeggiate vengono poi aggiunte, in una quantit? appropriata, e miscelate in modo da dar luogo ad una dispersione o sospensione uniforme delle fibre nel veicolo liquido. La dispersione contenente fibre ? stabilizzata, cio? le fibre di PTFE rimangono in sospensione e non decantano ad una velocit? sufficientemente veloce per influire in maniera svantaggiosa sulla deposizione della dispersione. ?

Hurley et al. descrivono inoltre l'utilizzo di un agente di stabilizzazione per aumentare la viscosit? della dispersione. Per esempio, con Carbopol 941 (un acido poliacrilico ottenibile dalla B. F. Goodrich Chemicals Company), l'aggiunta di una base neutralizzante, idrossido di ammonio, serve a neutralizzare l'acido poliacrilico e ad aumentare in maniera sostanziale la viscosit?, per esempio da circa 800 a 20.000 centipoise. Tali sistemi sono molto tissotropici. Quando sono vigorosamente agitati, essi hanno una bassa viscosit? effettiva e, pertanto, sono molto efficaci per la dispersione delle fibre di PTFE. Poich? queste dispersioni sono molto stabili, esse possono venire preparate in anticipo sul momento nel quale esse vengono utilizzate, senza decantazione delle fibre .

Il Carbopol 941 pu? venire utilizzato senza l?aggiunta di una base neutralizzante, anche se si preferisce l'aggiunta di una base neutralizzante. Quando non si utilizza una base neutralizzante, occorre aggiungere una quantit? maggiore di Carbopol per ottenere la viscosit? desiderata. Si possono utilizzare viscosit? nell?intervallo da circa 800 a circa 20.000, preferibilmente nell'intervallo da 1.200 a 6.000, centipoise.

Inoltre, si pu? introdurre un legante fugace nella dispersione di fibre in modo da dare al materiale depositato una resistenza sufficiente per sopportare la manipolazione fino al momento in cui viene effettuata la vulcanizzazione del legante fluorocarburico. Sia l'agente di stabilizzazione che il legante fugace, se vengono utilizzati, sono preferibilmente fugaci, ma possono richiedere un trattamento separato per la rimozione. Di preferenza si utilizza Carbopol, in particolare Carbopol 934, Carbopol 940, e Carbopol 941, perch? esso fornisce un singolo componente che agisce sia da stabilizzante fugace che da legante fugace.

Hurley et al. descrivono che la quantit? di fibre di PTFE presenti nella dispersione stabilizzata dovrebbe essere tale da ottenere una dispersione uniforme e completa con la minima quantit? d'acqua.

In generale, ? soddisfacente una quantit? da circa 0,5 a circa 20, e preferibilmente da circa 1 a circa 5, grammi di fibre per litro della dispersione comprendente l'agente di stabilizzazione, il veicolo liquido e la miscela di fibre. Si possono utilizzare quantit? minori, ma sono meno economiche. Quantit? maggiori sono pi? difficili da disperdere e possono portare alla formazione di grumi o di aggregati delle fibre e ad una deposizione non uniforme.

La quantit? di agente di stabilizzazione / legante varia secondo il particolare agente scelto, ma in ogni caso dovrebbe essere sufficiente per dar luogo ad una dispersione stabilizzata come descritto pi? su. Tipicamente, le miscele del veicolo liquido e dell'agente di stabilizzazione hanno viscosit? da circa 800 a circa 20.000, e preferibilmente da circa 1.200 a circa 6.000, centipoise, prima dell?incorporazione delle fibre. In generale, ? sufficiente una quantit? da circa 0,4 a circa 4 grammi per litro di agente di stabilizzazione / legante e, preferibilmente, da circa 1 a circa 2 grammi per litro del veicolo liquido e della miscela agente di stabilizzazione / legante.

La dispersione viene preparata con apparecchiature convenzionali, per esempio un miscelatore o battitore Cowles a deflettori. In generale, la battitura ad una velocit? delle punte da circa 910 a circa 1360 metri al minuto (da circa 3.000 a circa 4.500 piedi al minuto) per da circa 30 a circa 120 minuti sono sufficienti per produrre una dispersione completa ed uniforme delle fibre. Una velocit? eccessiva della punta e tempi di miscelazione eccessivi non sono desiderabili a causa di una perdita di viscosit? provocata dall'azione di taglio sulle molecole dell'agente di stabilizzazione. La tensione superficiale di soluzioni dalle caratteristiche desiderate che sono state addensate con Carbopol ? superiore a 70 dyne per centimetro e si ? trovato un valore di 74,2 dyne per centimetro per una miscela con 1,4 grammi di Carbopol 941 per litro.

Hurley et al. descrivono che la dispersione stabilizzata pu? venire depositata su qualsiasi adatto supporto poroso, per esempio una tela di vetro tessuta o una rete di filo metallico. Il materiale depositato dovrebbe essere di spessore uniforme e a questo scopo si possono impiegare mezzi di spandimento. L'eccesso di veicolo liquido viene poi drenato dal materiale depositato, preferibilmente mediante aspirazione attraverso supporto mediante vuoto. Si possono utilizzare apparecchiature convenzionali, come un Fourdrinier. Per evitare un drenaggio prematuro e disuniforme del materiale depositato, si pu? porre un foglio impermeabile, come un foglio-di plastica, su supporto poroso prima della deposizione della dispersione. Dopo la distribuzione e la dispersione su supporto, il foglio di plastica viene rimosso e il liquido viene drenato.

Lo stadio successivo discusso in Hurley et al. consiste nell'essiccazione del materiale depositato prima dell'applicazione del legante fluorocarburico polimerico. L'essiccazione viene effettuata aspirando aria a temperatura ambiente o riscaldata attraverso il materiale depositato, mediante radiazione infrarossa o con apparecchiature a forno convenzionali. Con un radiatore infrarosso, un tempo da 6 a 9 minuti ? soddisfacente quando si lavori a circa 0,9 watt per cm^ (6 watt per pollice quadro) del materiale depositato a struttura fibrosa ad una distanza da 3 a 4 pollici (da 7,5 a 10 cm).

In Hurley et al., l'emulsione del legante fluorocarburico viene applicata al materiale depositato mediante spruzzatura, immersione o altre tecniche convenzionali. La quantit? di emulsione di legante fluorocarburico applicata varia secondo la concentrazione del legante fluorocarburico nell'emulsione. La concentrazione dell'emulsione e la quantit?-di emulsione applicata al materiale depositato, secondo i casi in una singola applicazione o in applicazioni multiple, devono essere tali da fornire quantit? sufficienti di legante fluorocarburico per assicurare un legame adeguato dei contatti fibra con fibra per impartire integrit? strutturale alla struttura fibrosa risultante. Inoltre, poich? pu? verificarsi aspirazione capillare, pu? essere desiderabile eseguire stadi multipli con l'emulsione di legante.

Come delineato in Hurley et al., la quantit? di legante fluorocarburico distribuita nel prodotto finale, cio? nella struttura fibrosa porosa, varia in generale in un intervallo da circa 5 a circa 45, preferibilmente da circa 10 a circa 35, % in peso sulla base del peso delle fibre. Quantit? inferiori al 5% in peso possono venire utilizzate, tuttavia, quando si richiede un legame minore. Una indesiderabile formazione di telo, la formazione di pellicole polimeriche, risulta in generale da quantit? superiori al 45% in peso.

Il materiale depositato impregnato di legante viene nuovamente essiccato dopo l'applicazione del legante. La struttura di fibre fluorocarburiche impregnata di fluorocarburo viene vulcanizzata mediante riscaldamento a temperatura superiore rispetto a quella richiesta per l'essiccazione. Per leganti fluorocarburici termoplastici, la temperatura di vulcanizzazione e il tempo di vulcanizzazione dovrebbero essere tali che al legante fluorocarburico sia lasciata la possibilit? di fondere e scorrere. Per esempio, quando si usa FEP l'indurimento o vulcanizzazione sar? eseguito tipicamente a temperature da circa 268?C a circa 343?C per da circa 20 secondi a circa 1 minuto .

Infine, Hurley et al. discutono i problemi dell?introduzione di estraibili nei materiali filtranti da parte dei vari costituenti del materiale depositato. Nella misura in cui gli estraibili sono introdotti dall'agente di stabilizzazione, e dal legante fugace, se utilizzato, eventuali residui del tensioattivo provenienti dalla dispersione del fluorocarburo e cosi via, Hurley et al. si basano su uno stadio di riduzione degli estraibili mediante acido per ridurre il livello degli estraibili. Lo stadio di riduzione degli estraibili mediante acido implica l?esposizione del materiale depositato vulcanizzato ad acido minerale riscaldato, come acido nitrico qualit? reagente al 70% a temperatura da 110? a 121?C per 5 ore seguito da risciacquo con acqua pura ed essiccazione della struttura.

Bench? l'acido nitrico sia una maniera efficace per imbianchire il materiale, non ? esente da svantaggi significativi. Per esempio, sono state osservate tre difficolt? fondamentali. Per prima cosa, il colore bianco ? reversibile in stadi di lavorazione successivi e durante il servizio di filtrazione. Il materiale si decolora quando viene riscaldato a temperature superiori a circa 121?C. Questa tendenza a decolorarsi provoca problemi di fabbricazione come, per esempio, in operazioni di saldatura laterale e di incappucciatura finale. Il colore dipende dalla temperatura massima di lavorazione. Dopo la messa in servizio, nel caso in cui le temperature di servizio superino i 121?C il materiale filtrante si scolora (cambia colore). Il colore che si sviluppa varia da marroncino attraverso varie sfumature del marrone fino ad una tonalit? purpurea. Il ricomparire del colore nel materiale ? indicativo della presenza di composti organici e/o di prodotti di decomposizione che rimangono-nel materiale e che hanno la capacit? potenziale di essere estratti in servizio .

In secondo luogo, il fatto di affidarsi ad un risciacquo ripetuto che rimuove la maggior parte, ma non sostanzialmente tutti, degli ioni nitrato ? in generale insoddisfacente al crescere delle norme stringenti dell?industria. Le specifiche di qualit? richiedono ora spesso che il livello di estraibili totale, in particolare degli ioni nitrato, sia ridotto in modo drastico, per esempio al di sotto di 570 ppb/m^ (53 ppb/ft^). Ulteriore risciacquo sequenziale del materiale per ridurre il livello dei nitrati estraibili introduce altri problemi. Poich? il materiale ? idrofobo, tendente a disidratarsi, dopo risciacquo ed essiccazione, esso deve venire riinumidito con un liquido organico di bassa tensione superficiale, come alcool isopropilico , - spesso all'inizio di ciascuno stadio, il che implica lavoro addizionale. Per di pi?, il volume di acqua deionizzata contaminata di nitrati e scarti organici, alcool, introduce aumentate preoccupazioni per lo smaltimento degli effluenti, che devono venire correttamente scartati o rilavorati.

In terzo luogo, i nitrati residui non solo contribuiscono alla scolorazione del materiale filtrante, ma hanno inoltre la capacit? potenziale di contaminare il filtrato quando viene messo in servizio. Anche il risciacquo pi? accurato del materiale non elimina i livelli residui di nitrato al di sotto di un intervallo da varie centinaia a qualche migliaio di ppb/ft2 (ft = piede) (da qualche migliaio a qualche decina di migliaia di ppb/m2).

N? il PTFE (fibre) n? il legante fluorocarburico di per s? si decolorano. Di fatto, sono gli ausiliari di lavorazione che provocano i problemi di decolorazione / contaminazione.

L?agente bagnante contenuto nel legante e, in minor misura, il disperdente e stabilizzante / legante fugace si ? trovato che sono le fonti di cambiamento del colore. Questi ausiliari di lavorazione sono necessari ma dovrebbero venire rimossi in modo completo una volta che essi hanno svolto il loro scopo. Tuttavia, a causa della fusione del legante con il calore, questi ausiliari di lavorazione, e residui provenienti da essi, vengono intrappolati nel fluorocarburo fuso del materiale depositato. Questi costituenti indesiderabili intrappolati devono venire rimossi per impedire il cambiamento di colore del materiale filtrante e per impedire una potenziale contaminazione in servizio.

Come sostituto dello stadio di candeggiamento con acido nitrico precedentemente descritto, ? stato tentato un candeggiamento con perossido di idrogeno (30%) caldo. Sfortunatamente, esso non ? un agente di candeggiamento altrettanto efficace dell'acido nitrico. Come l?acido nitrico, esso pone problemi di sicurezza e di smaltimento. Il perossido di idrogeno caldo pu? produrre reazioni di decomposizione incontrollate che costituiscono anch'esse fonti potenziali di contaminazione. Il colore ritorna per moderato riscaldamento.

Convenzionalmente, il trattamento termico dopo la deposizione ? stato scartato a causa della prospettiva di un ritiro delle fibre, rottura dei legami agli incroci delle fibre creati con il legante fluorocarburico , e riduzione della forza e della integrit? strutturale dei materiali filtranti. L'arte anteriore evitava specificamente una esposizione prolungata dei materiali a base di fibre fluorocarburiche a temperature elevate perch? si riteneva che dopo la deposizione il ritiro delle fibre avesse un?impatto dannoso sull'integrit? del filtro.

Le convenzioni abituali imponevano anche che una esposizione protratta a temperature elevate avrebbe portato ad un ritiro esteso del materiale e che lo spessore del materiale sarebbe diminuito in maniera inaccettabile. Dato il requisito preliminare che il materiale possieda un elevato volume vuoto, la prospettiva di una sostanziale riduzione del volume del materiale era un deterrente contro qualsiasi trattamento ad alta temperatura. Per di pi?, e in modo particolarmente applicabile a materiali fluorocarburici, vi era la preoccupazione che una esposizione protratta a temperature elevate portasse a livelli inaccettabilmente elevati di fluoruri estraibili.

Infine, poich? i materiali candeggiati con acido nitrico e con perossido di idrogeno cambiavano di colore quando venivano riscaldati ad alte temperature, non sembrava ragionevole impiegare l'esposizione ad alte temperature per il candeggiamento del materiale.

Rivelazione dell1invenzione

Al contrario della convinzione tradizionale, e allo scopo di superare i problemi provocati dal cambiamento di colore-e dal dilavamento di estraibili in servizio, che sono ambedue associati con i trattamenti che seguono la deposizione, la presente invenzione mette a disposizione un processo di candeggiamento termico implicante l'esposizione prolungata ad alte temperature per un materiale filtrante a base di legante fluorocarburico / fibre di PTFE.

La presente invenzione mette a disposizione un materiale filtrante e un processo per la riduzione del livello di estraibili ionici in un materiale poroso composto da fibre fluorocarburiche e da un legante fluorocarburico. L?invenzione comprende le operazioni di esporre materiale poroso a base di fibre fluorocarburiche legate con fluorocarburo ad una atmosfera contenente ossigeno che viene mantenuta ad una temperatura di almeno circa 204?C per un periodo di tempo sufficiente per ridurre il livello di estraibili ionici e carboniosi contenuti nel materiale poroso.

L'invenzione mette inoltre a disposizione una struttura porosa fibrosa comprendente fibre polimeriche fluorurate legate chimicamente che sono legate con un legante scelto all'interno del gruppo costituito da copolimero etilene-propilene fluorurato, polimero periluoroalcossilico e loro miscele, in cui la struttura fibrosa porosa presenta un livello totale di estraibili minore di circa 570 ppb/m^ (53 ppb/ft^, ft = piede).

La presente invenzione mette a disposizione un materiale filtrante che possiede un colore bianco sostanzialmente permanente composto, preferibilmente, da fibre fluorocarburiche preritirate e leganti fluorocarburici. Il colore bianco risulta dal nuovo processo finale di candeggiamento termico che rimuove gli ausiliari di lavorazione depositati indesiderabili e sottoprodotti dai materiali. Gli ausiliari di lavorazione.

che includono stabilizzanti della dispersione, leganti fugaci e agenti bagnanti del fluorocarburo, introducono un livello indesiderabilmente elevato di residui estraibili nel materiale filtrante. I trattamenti chimici convenzionali dopo la deposizione producono un aspetto iniziale bianco / candeggiato. La maggior parte dei composti carboniosi rimangono nel materiale. Al successivo riscaldamento in servizio, essi tendono a decomporsi, a cambiare il colore del materiale e a contaminare il prodotto.

La presente invenzione rimuove sostanzialmente gli ausiliari di lavorazione e sottoprodotti comprendenti gli estraibili che provocano il cambiamento di colore dal legante fluorocarburico. La rimozione viene ottenuta mediante esposizione protratta ad atmosfera ossigenata calda (aria, aria arricchita di ossigeno, o ossigeno). La presente invenzione riconosce che il calore, la causa principale del cambiamento di colore di materiali filtranti fluorocarburici trattati chimicamente e in servizio, ? anche la soluzione al problema della decolorazione (cambiamento di colore) . Come risultato di una esposizione protratta del materiale filtrante legato ad una temperatura controllata ad una atmosfera calda contenente ossigeno (aria), il materiale prodotto mantiene un colore bianco stabile anche ad elevate temperature di servizio. Si avanza l'ipotesi che l'ossigeno contenuto nell'aria calda reagisca (ossidi) nel tempo con sostanzialmente tutti gli ausiliari di lavorazione e gli eventuali prodotti di decomposizione risultanti. Un tempo di esposizione protratto ? necessario allo scopo di assicurare la diffusione attraverso il legante fluorocarburico fuso.

La presente invenzione, nella pratica preferita, comprende di isolare il materiale filtrante in una stufa con efficiente controllo della temperatura e mezzi per una agitazione vigorosa dell'atmosfera allo scopo di massimizzare l'esposizione all'ossigeno per volume. L?invenzione prevede anche di avvolgere (o di impilare) in maniera non stretta i materiali in una stufa e di minimizzare le possibilit? di contaminazione dei materiali durante il candeggiamento mediante il fatto di evitare il contatto diretto tra essi e le superfici metalliche. La pratica della presente invenzione mette a disposizione un materiale che ? non contaminante durante la fabbricazione perch? il candeggiamento viene realizzato senza acidi, perossidi o altri reagenti. Inoltre, il materiale prodotto ? non contaminante in servizio a causa del livello relativamente inferiore di specie estraibili. (Il livello di ioni nitrato ? da due a tre ordini di grandezza inferiore rispetto a quello ottenuto dal candeggiamento con acido nitrico seguito da esteso risciacquo).

Descrizione dettagliata di realizzazioni dell 'invenzione;

Come detto nelle generalit? dell'invenzione che precedono, le fibre di PTFE, i leganti fluorocarburici , gli ausiliari di lavorazione nonch? le tecniche di formazione della dispersione e di deposizione descritti in Hurley et al., U.S.

4.716.074 sono applicabili nella presente invenzione. Pertanto, il brevetto statunitense 4.716.074 ? qui incorporato per riferimento.

Tuttavia, la presente invenzione si allontana dagli insegnamenti di Hurley et al-, specialmente per quanto riguarda lo stadio finale di riduzione degli estraibili dal materiale depositato mediante trattamento con acido.

Il materiale della presente invenzione ? composto dalle fibre di PTFE precedentemente descritte e da un legante fluorocarburico con ausiliari di lavorazione (agente bagnante, stabilizzanti, leganti fugaci e cos? via) associati. Il materiale ? disponibile in commercio nella forma di filtri di fibre di PTFE legate con fluorocarburi ed ? ottenibile dalla Pali Corporation sotto i nomi CHEMINERT? , SUPER CHEMINERT? , e PALLFLEX? .

Certune tecniche descritte in Hurley et al., per esempio il candeggiamento e/o il preritiro delle fibre, la formazione di una dispersione stabilizzata, la deposizione della dispersione, l'applicazione del legante e cos? via, sono appli-cabili alla presente invenzione. Tuttavia, Hurley et al. descrivono la necessit? di un candeggiamento preliminare delle fibre prima della deposizione. Bench? si preferisca utilizzare fibre fluorocarburiche precandeggiate nella presente invenzione, il precandeggio non ? necessario. Le

fibre possono venire utilizzate senza precandeggio n? preritiro. Il preritiro rende le fibre pi? dimensionalmente stabili a caldo e pertanto riduce la misura del ritiro delle fibre dopo la fusione con il legante. Cos?, la perdita di volume del materiale dopo l'esposizione a temperature superiori alla temperatura di transizione cristallina (rammollimento) viene minimizzata.

Il FEP ? il legante preferito, ma PFA e miscele PFA/FEP, da sole o con PTFE, forniscono un legante fluorocarburico soddisfacente nella pratica della presente invenzione. A causa dei pi? elevati punti di fusione cristallini di PFA e PTFE, la loro aggiunta aumenta la stabilit? termica del FEP. Tuttavia, l'aumento del punto di fusione del legante riduce anche l'intervallo di temperature tra il punto di rammollimento del legante e il punto di fusione delle fibre di PTFE. Cos?, diventa pi? difficile ottenere la vulcanizzazione termica iniziale, la-fusione delle fibre nei punti di incrocio, del materiale. La fusione termica del FEP e delle combinazioni di FEP con le fibre viene in generale eseguita a temperature tipicamente da circa 268?C a circa 398?C per da circa 20 secondi a circa 5 minuti.

L'agente bagnante preferito per il legante ? polieteralcool alchilarilico non ionico (alchilfenolo etossilato) Triton X100. Agenti bagnanti anionici, come Triton X200 (alchilarilpolietersolfonato di sodio), o Triton X300 (alchilfenossi-polietersolf ato di sodio) possono pure venire utilizzati.

I materiali porosi preferiti per la messa in pratica della presente invenzione sono costituiti dalle fibre di politetrafluoroetilene (PTFE) non tessute precedentemente descritte. Tuttavia, l'invenzione ? applicabile al candeggiamene di un panno tessuto di fibre di PTFE, che sono legate in una configurazione scelta, con un legante chimico. Se il materiale, per esempio, ? filato di PTFE tessuto, allora gli stadi precedenti che riguardano la formazione della dispersione, la deposizione e l'essiccazione del materiale depositato, non sono applicabili.

Agli scopi della presente invenzione, la temperatura massima di candeggiamento dipende dal punto di fusione cristallina del legante fluorocarburico scelto. Per esempio, se il legante ? FEP o PFA, la temperatura massima preferita ? di 385?C e la temperatura preferita ? di 279?C. La temperatura minima per il processo di candeggiamento termico della presente invenzione ? di 204?C e il tempS minimo di candeggiamento ? di varie ore, ma preferibilmente 48 ore. Pi? tipicamente, il tempo di candeggiamento varier? da 60 a 336 ore poich? strati multipli del materiale filtrante vengono candeggiati simultaneamente.

Dal trattamento con aria calda della presente invenzione risulta una perdita di peso misurabile del materiale. La quantit? di ausiliario di bagnatura presente nel materiale, come proviene dalla fabbricazione originaria, pu? essere relativamente elevata. Per esempio, la quantit? di legante presente pu? essere del 50% del peso delle fibre e l?agente bagnante nel legante pu? essere presente a concentrazioni del 5 o 6% sulla base del peso del FEP. Il trattamento con aria calda ? efficace nella rimozione dell'agente bagnante e di altri additivi. Si ha una perdita di peso tipica dello 0,80% con un materiale avente un contenuto di legante relativamente basso. Una perdita di peso pi? elevata, 1,33%, si osserva per un materiale con un pi? elevato contenuto di legante. La rimozione di questi ausiliari di lavorazione ? essenziale - altrimenti essi possono venire estratti per dilavamento e agire da contaminanti in servizio.

Allo scopo di mettere in pratica la presente invenzione, ? richiesta una camera di isolamento termico. Preferibilmente, la camera ? nella forma di un forno a convezione avente un mezzo di controllo della temperatura sensibile per mantenere la temperatura all'interno del forno entro un intervallo controllato in modo relativamente stretto, per esempio un Electroven H1000. Si preferisce una fonte di riscaldamento elettrica, ma calore risultante dalla combustione di gas o di olio ? accettabile se il calore ? indiretto, cio? viene applicato attraverso serpentine di trasferimento del calore o simili.

Si preferisce che il forno contenga mezzi per la circolazione dell'atmosfera e, preferibilmente, una vigorosa agitazione, per esempio ventilatori. La vigorosa agitazione dell'atmosfera (aria) della camera, non solo-contribuisce a controllare e a mantenere una temperatura sostanzialmente uniforme all'interno della camera, ma inoltre massimizza l'esposizione superficiale del materiale ad una fornitura rinnovata dell?aria di candeggiamento / rimozione degli estraibili. Si ritiene che il tempo di residenza dell'aria di candeggiamento nella camera non sia un fattore significativo. Un tempo di esposizione da 3 a 10 giorni ? in generale necessario quando si utilizza una temperatura di candeggiamento di 276?C in un Electroven Model H1000. L?aria calda usata viene poi espulsa dalla camera verso l'esterno. Un altro espediente per promuovere una distribuzione uniforme del calore consiste nell'utilizzo di schermi contro le radiazioni interposti tra la fonte elettrica di riscaldamento e il materiale filtrante. L'interposizione di semplici alette metalliche o ceramiche per la deflessione del calore tra la sorgente e il materiale impedisce una dannosa concentrazione del calore che porta ad un candeggiamento disuniforme e ad una "fusione" locale del materiale.

L'atmosfera di candeggiamento preferita contiene ossigeno. A motivo della disponibilit? e del costo, si preferisce aria-ambientale filtrata. Si possono integrare altri gas ossidanti, oppure essi possono di fatto sostituire l?aria. Questi includono, ma non sono limitati a, vapore acqueo, ozono, biossido di carbonio, biossido di zolfo e cosi via. Inoltre, se desiderato, il contenuto di ossigeno nell'atmosfera pu? essere integrato mediante l'aggiunta di ossigeno da una fornitura di ossigeno puro (una bombola di ossigeno compresso) . Un'atmosfera di ossigeno concentrato (puro) pu? venire utilizzata per questa invenzione perch? fornirebbe un candeggiamento molto efficiente.

Tuttavia, una atmosfera di ossigeno concentrata non ? consigliata per motivi di sicurezza e di costo .

Allo scopo di impedire l'introduzione di materiale estraneo nel forno, ? importante che l?aria ambientale sia filtrata prima dell'introduzione. Un filtro HEPA (high efficiency particulate air) (di alta efficienza per aria ricca di particelle) presenta una capacit? nominale di rimozione sufficiente per impedire l'introduzione di particelle estranee potenzialmente contaminanti nel materiale sottoposto a candeggiamento.

La disposizione o posizionamento del materiale nel forno ? pure importante. L'intero volume del materiale deve essere facilmente accessibile all'aria circolante. Pertanto, se viene messo in una forma a strati multipli, il materiale dovrebbe essere impilato non in modo stretto ma sciolto nel forno. Se ? nella forma di rotoli, il materiale fibroso dovrebbe essere arrotolato "in modo lento" per facilitare la permeazione dell'ossigeno. La forza necessaria per srotolare il materiale dopo il candeggiamento con aria calda dipende fortemente da quanto scioltamente o strettamente il materiale ? stato arrotolato. La forza ? minimizzata quando il materiale ? arrotolato in modo lento. Cosi, dovrebbe essere presente un certo "imbando" quando il materiale ? in forma di rotolo. Un candeggiamento efficace di materiale fibroso arrotolato in modo lento ? stato ottenuto con rotoli non stretti contenenti pi? di 62 metri (200 piedi lineari) di materiale.

Un contatto diretto del materiale all'interno del forno con componenti metallici, incluso acciaio inossidabile, deve venire evitato a causa della formazione di complessi metallici. Tale contaminazione da complessi metallici pu? portare a decolorazione e contaminazione del filtrato in servizio. Di conseguenza, il-materiale fibroso in contatto diretto con metallo durante il processo di candeggiamento ad alta temperatura deve venire scartato. Un semplice espediente per superare la possibilit? di contaminazione da complessi metallici consiste nell'interporre uno strato (foglio) di fluoropolimero poroso, come PTFE, tra il materiale e eventuali superfici metalliche all'interno del forno con le quali il materiale pu? pervenire in contatto.

E' stato anche scoperto che non ? necessario che i materiali siano in una particolare orientazione durante il candeggiamento. Il materiale pu? venire candeggiato con successo sia in posizione orizzontale che in posizione verticale. Tuttavia, si preferisce che il materiale sia in orientazione orizzontale perch? ci? riduce la probabilit? di incurvature sulla larghezza del materiale. Se vengono mantenuti in orientazione orizzontale durante il candeggiamento , si suggerisce che il lato inferiore di rotoli sia supportato al di sopra del pavimento del forno allo scopo di promuovere una penetrazione uniforme dell'aria.

Per esempio, si pu? utilizzare una amaca a raggio regolabile di PTFE o di acciaio inossidabile flessibile per sospendere rotoli di materiale all'interno del forno. L?amaca a raggio regolabile dovrebbe avere un raggio di circa 2,5 cu (1 pollice) pi? largo del rotolo da essa supportato. Come fatto notare pi? su, tuttavia, se si utilizza un'amaca di acciaio inossidabile ? necessario scartare le porzioni di materiale che erano in contatto diretto con il metallo. Come sopra, tuttavia, ? possibile interporre un foglio di PTFE tra l'amaca metallica e il materiale per minimizzare gli scarti.

I risultati di analisi su un materiale filtrante multistrato sottoposto al processo di candeggiamento con aria calda senza risciacquo della presente invenzione sono presentati in Tabella 1. Gli estraibili totali registrati (380 contro 570 ppb/m2 (35 contro 53 ppb/ft2)) sono ridotti del 35%. Quando si utilizza acido nitrico per il candeggio del materiale, il livello residuo di NO3 ? tipicamente nell'intervallo di 800-1500 ppb - anche quando si effettua un risciacquo prolungato (48 ore o pi?).

<LR: Se presente, inferiore al limite di rivelazione

Aree utilizzate:

Applicabilit? industriale

L? presente invenzione definisce un materiale filtrante in legante fluorocarburieo -fibra fluorocarburica sostanzialmente bianchito in modo permanente, a ridotto livello di estraibili, non contaminante, con adeguato volume di vuoti e una procedura per la fabbricazione dello stesso. I filtri secondo la presente invenzione non si decolorano in servizio anche in ambienti ad alta temperatura e forniscono una filtrazione di qualit? analitica. Il livello di estraibili, come ioni nitrato, ? in un ordine di da 2 a 3 ordini di grandezza inferiore rispetto a quello ottenuto con metodi di candeggiamento convenzionali seguiti da esteso risciacquo. L?invenzione evita l'utilizzo di materiali chimici di candeggio e minimizza le acque di scarico risultanti dal risciacquo. Si verifica una perdita di peso (0,80-1,33%) durante il candeggiamento con aria calda a causa dell?ossidazione degli ausiliari di lavorazione.

L'invenzione ? particolarmente adatta per operazioni di filtrazione ultrapure e analitiche utilizzate, per esempio, nell'industria chimica e biochimica (estrazione analitica), farmaceutica (produzione di farmaci) e elettronica (produzione di soluzioni per l'incisione dei microcircuiti). Cos?, per tali applicazioni e altre nelle quali occorre evitare la contaminazione da estraibili, il processo di candeggiamento della presente invenzione e il materiale in fibra fluorocarburica legato risultante sono particolarmente applicabili?

Bench? la precedente rivelazione descriva realizzazioni specifiche, altre realizzazioni, modifiche, e variazioni contenute nello spirito delle rivendicazioni che seguono risulteranno evidenti alle persone esperte nell'arte.

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1. Processo per ridurre il livello di estraibili ionici in un materiale poroso composto da fibre fluorocarburiche legate e da un legante chimico comprendente le operazioni di esporre il materiale poroso ad una atmosfera contenente ossigeno che viene mantenuta ad una temperatura di almeno circa 204?C per un periodo di tempo sufficiente per ridurre il livello di estraibili ionici e carboniosi nel suddetto materiale poroso.
2. 2. Processo della rivendicazione 1 nel quale il materiale poroso ? composto da fibre fluorocarburiche non tessute-che sono state legate con una composizione legante comprendente un agente legante e un agente bagnante e l?agente legante inizialmente contiene un agente bagnante prima della suddetta esposizione ad una atmosfera contenente ossigeno.
3. 3. Processo della rivendicazione 1 o 2 nel quale l'agente bagnante ? un tensioattivo non ionico e il legante del materiale poroso ? scelto all'interno del gruppo costituito da copolimero etilene-propilene fluorurato, polimero perfluoroalcossilico e loro miscele.
4. 4. Processo di una qualunque delle rivendicazioni precedenti nel quale le fibre fluorocarburiche legate chimicamente vengono sottoposte a candeggio prima di venire incorporate nel materiale poroso.
5. 5. Processo della rivendicazione 1 nel quale l?atmosfera contenente ossigeno ? aria.
6. 6. Processo di una qualunque delle rivendicazioni precedenti nel quale il materiale poroso viene esposto alla suddetta aria ad una temperatura da circa 248?C a circa 278?C per un periodo di tempo da circa 48 a circa 336 ore.
7. 7. Processo della rivendicazione 1 nel quale il materiale poroso ? nella forma di una struttura arrotolata in modo sciolto.
8. 8. Metodo della rivendicazione 1 nel quale l'atmosfera viene filtrata prima dell'esposizione al materiale poroso.
9. 9. Metodo delle rivendicazioni 1, 2 o 3 nel quale il materiale poroso ? una stoffa tessuta comprendente fibre di politetrafluoroetilene e la stoffa tessuta viene esposta alla suddetta atmosfera per un periodo di tempo sufficiente per ridurre il livello degli estraibili ionici a 380 ppb/m^ (35 ppb/ft^) o meno.
10. 10. Metodo per il trattamento di una struttura porosa per renderla non contaminante, dove la struttura porosa ? composta da fibre di polimero fluorurato e da un legante fluorocarburico, dove il metodo comprende gli stadi di: filtrare e riscaldare aria ad una temperatura di almeno 204?C; isolare termicamente la struttura porosa in una camera; esporre la struttura porosa termicamente isolata all'aria riscaldata per almeno varie ore; agitare vigorosamente l'aria all'interno della camera durante l'esposizione della struttura porosa; e mantenere la temperatura dell'aria all'interno della camera almeno alla temperatura scelta.
11. 11. Metodo secondo La rivendicazione 10 nel quale il legante fluorocarburico ? scelto all?interno del gruppo costituito da copolimero etilene-propilene fluorurato, polimero perfluoroalcossilico e loro miscele.
12. 12. Metodo della rivendicazione 10 comprendente inoltre il fatto di supportare il filtro su una superficie non metallica all'interno della camera termicamente isolata, riscaldare l'aria con un elemento riscaldante elettrico, distribuire l'aria riscaldata all?interno della camera con deflettori .
13. 13. Metodo secondo la rivendicazione 11 nel quale l'elemento filtrante viene riscaldato nella camera per un tempo variabile da 48 a 336 ore e nel quale l'aria viene riscaldata ad una temperatura variabile nell?intervallo da 248 a 278 ?C.
14. 14. Metodo secondo la rivendicazione 11 nel quale l?aria viene agitata vigorosamente con ventilatori .
15. 15. Struttura porosa fibrosa comprendente fibre polimeriche fluorurate legate chimicamente, legate con un legante scelto all'interno del gruppo costituito da copolimero etilene-propilene fluorurato, polimero periluoroalcossilico e loro miscele, avente un livello totale di estraibili inferiore a circa 570 ppb/m<2 >(53 ppb/ft<2>).
16. 16. Struttura fibrosa della rivendicazione 15 nella quale le fibre polimeriche fluorurate sono legate con un legante scelto all'interno del gruppo costituito da copolimero etilene-propilene fluorurato, polimero periluoroalcossilico e loro miscele, avente un livello totale di estraibili inferiore a circa 570 ppb/m<2 >(53 ppb/ft<2>}, e in cui il legante costituisce fino a peso delle fibre